呼圖壁縣膜下滴灌棉花灌水時間研究

阿布都卡依木·阿布力米提，馬英杰，張佳學

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.北京聯(lián)創(chuàng)思源測控技術(shù)有限公司，北京 100085)

膜下滴灌在新疆已經(jīng)應用了十幾年,充分體現(xiàn)了其節(jié)水增產(chǎn)效益。但是在其應用過程中,也出現(xiàn)節(jié)省的水量滿足不了逐年增加的土地開墾面積、農(nóng)業(yè)用水緊缺、過量施肥導致土壤鹽漬化等一系列問題。解決這些問題的關(guān)鍵是確定更加精確的灌溉制度,在保證農(nóng)作物生長需水的同時,避免水分的深層滲漏[1]。而確定不同模式下滴灌棉花灌水時間是制定灌溉制度的重要因素之一。許多學者研究了在不同灌水量、不同滴頭流量下，濕潤體隨灌水時間的變化，并證明其規(guī)律呈良好的顯著關(guān)系[2-4]。

本文以棉花膜下滴灌實地數(shù)據(jù)為依據(jù)，主要討論一膜兩管和一膜三管兩種不同滴灌管鋪設(shè)方式下棉花地土壤濕潤情況，及濕潤鋒隨時間變化過程。根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定出適合當?shù)厍闆r的最佳灌水時間。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014年7月1日至2014年9月10日在位于新疆呼圖壁縣大豐鎮(zhèn)以東1.5 km處、312國道北側(cè)的紅柳塘村棉花示范田(86.63°，44.18°)進行。試驗區(qū)土質(zhì)為黏壤土，土壤密度為γ=1.45 g/cm3，平均氣溫6.7 ℃，年降水量167 mm，無霜期平均180 d。本試驗中選用當?shù)啬は碌喂噤佋O(shè)常用的兩種方式，即一膜六行兩管和一膜六行三管(見圖1)。棉花的株距為10 cm，行距為12-66-12-66 cm。

圖1 兩種滴灌管鋪設(shè)方式示意圖

1.2 試驗方法

花本試驗通過在滴灌管正下方以單一滴頭為中心，其濕潤區(qū)域開挖坡面的方法，觀測兩種滴灌管鋪設(shè)方式下，滴灌棉根系層的濕潤情況以及濕潤鋒隨時間的變化過程。在一同個條田內(nèi)選擇兩種鋪設(shè)方式，又在同一鋪設(shè)方式下選取3條支管作為研究小區(qū)進行，支管鋪設(shè)長度均為50 m。在每一個小區(qū)選取3條分別在支管兩頭離條田邊緣第三個鋪膜上和中間一個鋪膜上滴灌管作取樣采集對象進行試驗，滴灌管鋪設(shè)長度均為65 m。每一條滴灌管上離滴灌管兩端5 m的位置取相鄰兩個滴頭作為觀測點，實驗小區(qū)和采集點詳細的布置如圖2所示。兩種不同種植模式各有3個重復，按照該灌區(qū)輪灌制度統(tǒng)一分配的條件下總共做了3次試驗，總共有2×3×3×2×3=108個數(shù)據(jù)觀測點，一次試驗時間均為8 h。試驗在滴頭正下方以選定滴頭為中心開挖剖面，觀測灌水后土壤的濕潤半徑和深度；在試驗中灌水到2 h的時候，在選定滴頭正下方用小鐵鏟挖開剖面觀測棉花根系所在土壤層濕潤情況。挖開范圍為以滴頭為中心寬度20 cm、深度15 cm，然后用米尺量測此瞬間較準確的濕潤鋒水平和垂直擴散度。繼續(xù)灌水 4、6、8 h后，在同一條滴灌管上以第一次選定的滴頭左右隔5個滴頭的間距進行測定，測試方法與灌水2 h后相同。以此類推直至灌水后8 h停止，開挖剖面寬度和深度隨著時間逐漸加大到濕潤鋒以滴頭為中心水平半徑60 cm、垂直深度60 cm。

圖2 大田試驗小區(qū)采集點布置

2 結(jié)果與分析

試驗小區(qū)的管道流量和壓力相同以及整個滴灌系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，在滴灌管離支管近的滴頭和離滴灌管尾端近的滴頭之處，進行滴灌濕潤鋒水平擴散半徑和垂直滲透深度的變化情況與灌水時間之間的關(guān)系，以及兩種種植模式大田滴灌當中在灌水時間方面的優(yōu)勢作比較。每次試驗前后當?shù)貧夂蚓幱诮?jīng)常狀態(tài)，也沒有出現(xiàn)影響試驗結(jié)果的氣候因素。

2.1 一膜兩管滴灌模式下棉花濕潤鋒隨時間的變化情況

滴灌棉花在相同的滴頭流量和灌水量一膜兩管種植模式下，同一條滴灌管首端和尾端選定滴頭之處濕潤鋒隨時間變化如表1和表2所示，其關(guān)系圖如圖3所示。

由表1和表2可知，一膜兩管模式的棉花灌水過了8 h后，滴灌管首端濕潤鋒以滴頭為中心垂直濕潤深度達到40 cm以上、水平濕潤半徑35 cm以上。同時，在滴灌管尾端濕潤鋒以滴頭為中心垂直濕潤深度接近40 cm、水平濕潤半徑也接近35 cm。濕潤半徑r和濕潤深度h與時間t的關(guān)系做回歸分析(見圖3)，所得結(jié)果如下：

表1 滴灌管首端濕潤鋒 cm/h

表2 滴灌管尾端濕潤鋒 cm/h

圖3 一膜兩管鋪設(shè)方式滴灌管首尾端濕潤鋒與時間關(guān)系圖

滴灌管首端：

f(r-t)=0.159 3x2+3.429 8x

f(h-t)=0.268 1x2+3.004xR2≥0.99

(1)

滴灌管尾端：

f(r-t)=0.147 2x2+2.960 5x

f(h-t)=0.239 9x2+2.809xR2≥0.98

(2)

為進一步的觀察和掌握在同時間內(nèi)同一條滴灌管首尾端濕潤體變化情況，分別對同一條滴灌管首端和尾端濕潤鋒水平擴散半徑與時間的關(guān)系(見表3)以及垂直方向深度與時間的關(guān)系(見表4)進行分析。

由圖4可知，在相同時間內(nèi)同一條滴灌管首端和尾端濕潤鋒水平和垂直方向的擴散情況有所差別。由相關(guān)性分析可知多項式擬合公式R2均大于0.98。但是總體上看，一膜兩管種 植模式滴灌管首端和尾端濕潤度隨時間變化量取平均值，過了8 h后濕潤半徑達到35 cm、濕潤深的達到39 cm。根據(jù)王一民[9,10]等人的研究發(fā)現(xiàn)，棉花全生育期根系分布最為興旺層次是0～40 cm范圍。該結(jié)論與本試驗結(jié)果一致，由此可知，當前的棉花濕潤范圍可以滿足棉花根系吸水條件，棉花濕潤情況如圖5所示。

表3 滴灌管首、尾端濕潤鋒水平方向變化 cm/h

表4 滴灌管首、尾端濕潤鋒垂直方向變化 cm/h

圖4 一膜兩管方式滴灌管首尾端濕潤鋒與時間的關(guān)系

圖5 一膜兩管濕潤鋒的變化及濕潤范圍示意圖

2.2 一膜三管模式棉花濕潤鋒隨時間的變化情況

一膜三管種植模式下的滴灌棉花，試驗條件與一膜兩管種植模式相同，運用同樣的原理對一膜三管種植模式進行分析。同一條滴灌管首端和尾端選定滴頭之處濕潤鋒隨時間變化如表5和表6所示。

表5 滴灌管首端濕潤鋒 cm/h

表6 滴灌管尾端濕潤鋒 cm/h

圖6 一膜三管鋪設(shè)方式滴灌管首尾端濕潤鋒與時間關(guān)系圖

由表5、表6和圖6可以看到：一膜三管種植模式的棉花灌水持續(xù)8 h后，滴灌管首尾端濕潤鋒以滴頭為中心垂直和水平擴散度均達到50 cm。分析毛管首端和尾端濕潤鋒趨勢隨時間變化關(guān)系圖(見圖6)，針對濕潤半徑r和濕潤深度h與時間t的關(guān)系做回歸分析：

滴灌管首端:

f(r-t)=0.266 1x2+4.125 8x

f(h-t)=0.076 6x2+5.722 6xR2≥0.99

(3)

滴灌管尾端:

f(r-t)=0.290 3x2+3.864 5x

f(h-t)=0.090 7x2+5.420 2xR2≥0.98

(4)

為進一步的觀察和掌握一膜三管模式滴灌管棉花在同時間內(nèi)、同一條滴灌管首尾端濕潤體變化情況。下面對同一條滴灌管首端、尾端的濕潤鋒水平擴散與時間的關(guān)系(見表7)以及垂直方向深度與時間的關(guān)系(見表8)進行分析。

表7 滴灌管首、尾端濕潤鋒水平方向變化 cm/h

表8 滴灌管首、尾端濕潤鋒垂直方向變化 cm/h

圖7 一膜三管方式滴灌管首尾端濕潤鋒與時間的關(guān)系

一膜三管模式滴灌棉花在灌水量、壓力相同的情況下，濕潤鋒垂直和水平擴散度隨時間變化也很明顯。由圖7可知，一膜三管棉花模式，同一時間和灌水量情況下，滴灌管首端和尾端濕潤鋒的變化情況有所差別。通過滴灌管濕潤體的水平擴散和垂向入滲度與灌水時間的關(guān)系用二項式函數(shù)關(guān)系進行回歸分析得知，相關(guān)性多項式擬合公式R2均大于0.98。

對于整個灌區(qū)滴灌棉花濕潤鋒隨著時間變化而言：

F(t)=at2+btR2>0.98

(5)

式中：F(t)為在時間t時濕潤鋒的濕潤半徑和濕潤深度，cm；t為灌水時間，h；a,b為擬合參數(shù)。

以上擬合公式R2均大于0.98,說明交匯面濕潤鋒水平、垂直運移距離與入滲時間均滿足良好的線性函數(shù)關(guān)系[5]。棉花濕潤情況隨時間關(guān)系見圖8。

圖8 一膜三管濕潤鋒的變化及濕潤范圍示意圖

2.3 最佳灌水時間的確定

從北疆作物根系的分布、發(fā)育、分布規(guī)律中看出,苗期根系已布滿耕層,主根入土垂直深度達35 cm;開花期主根入土深度達123 cm,大量根系分布在0～60 cm土層[6]。主要構(gòu)造有52.4%、65.8%和73.3%以上的根量分別集中在地表20、30和40 cm深的土層內(nèi),80.6%以上的根量集中在植株兩側(cè)0～15 cm土體內(nèi)[7]。

通過研究和分析不同種植模式滴灌棉花濕潤鋒隨灌水時間變化情況，灌水量和滴頭流量相同、滴灌自由入滲的條件下，黏壤土垂直濕潤鋒運移速度大于水平濕潤鋒運移速度[8]。對同一種土壤濕潤體和作物根系的關(guān)系而言，一膜兩管滴灌模式棉花灌水8 h后，作物主吸水根的水平和垂直分布范圍均濕潤。一膜三管模灌溉模式棉花6 h后，作物主吸水根的水平和垂直分布層均未達到濕潤。

3 結(jié) 語

通過試驗和數(shù)據(jù)分析得知：

(1)滴灌棉花灌水量、滴頭流量為定值、滴灌自由入滲條件下，黏壤土垂直濕潤鋒運移速度往往大于水平濕潤鋒運移速度，濕潤鋒垂直方向入滲所用的時間最短。此結(jié)論和其他學者研究的結(jié)果保持一致。

(2)一膜兩管種植模式的滴灌棉花，灌水過了8 h后濕潤鋒水平擴散度和垂直入滲度均接近40 cm。此濕潤狀態(tài)完全能夠滿足作物該時間段內(nèi)根系吸水的要求。

(3)一膜三管種植模式的滴灌棉花，灌水過了6 h后濕潤鋒水平擴散度和垂直入滲度約40 cm。棉花該時刻濕潤狀態(tài)完全能夠滿足作物根系分布層吸水的要求。灌水超越6 h以后，開始出現(xiàn)整個覆膜上面都有積水的現(xiàn)象，8 h后甚至出現(xiàn)鋪膜上有流動水的情況，濕潤深度達到50 cm。

在田間管網(wǎng)系統(tǒng)的運行和田間操作管理具備理想條件下，通過濕潤鋒趨勢和時間關(guān)系以及濕潤鋒水平擴散與垂直滲透關(guān)系的分析，得到一膜兩管和一膜三管不同滴灌管鋪設(shè)方式的滴灌棉花最佳灌水時間。即一膜三管的模式灌水時間為6 h比較合理，均能滿足作物根系吸水要求。一膜兩管的模式灌水時間為8 h比較合理，均能滿足作物根系吸水要求。

[1] 吳爭光,虎膽·吐馬爾白,張金珠,等. 膜下滴灌灌溉制度對棉田土壤水分變化及產(chǎn)量的影響研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學,2010,(8):1 574-1 579.

[2] 賈運崗,張富倉,李培嶺. 大田滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律的試驗研究[J]. 灌溉排水學報,2007,(6):15-18.

[3] 崔偉敏. 膜下線源滴灌土壤濕潤區(qū)影響因素的研究[D].新疆石河子：石河子大學,2008.

[4] 盧俊寰,汪有科. 滴灌土壤濕潤體特性室外試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2012,(3):1-6,11.

[5] 孫海燕,王全九. 滴灌濕潤體交匯情況下土壤水分運移特征的研究[J]. 水土保持學報,2007,(2):115-118.

[6] 李俊義,劉榮榮,王潤珍,等. 北疆棉花根系分布規(guī)律研究[J]. 中國棉花,1999,(6):18-20.

[7] 李少昆,王崇桃,汪朝陽,等. 北疆高產(chǎn)棉花根系生長規(guī)律的研究Ⅰ根系的構(gòu)型與動態(tài)建成[J]. 石河子大學學報(自然科學版),1999,(S1):15-25.

[8] 岳海英. 滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律試驗研究[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學,2010.

[9] 王一民,虎膽·吐馬爾白,張金珠,等. 膜下滴灌棉花根系分布特性試驗研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學學報,2010,(2):103-106.

[10] 王一民,虎膽·吐馬爾白,張金珠,等. 膜下滴灌棉花根系分布規(guī)律研究[J]. 節(jié)水灌溉,2010,(9):1-4,7.